Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

1
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт «Инженерно-экологического строительства и механизации»
Кафедра «Строительные и подъёмно-транспортные машины»
Е.В. Кошкарёв
Тяговые и эксплуатационные расчёты землеройно-транспортных машин
Часть 1. Грейдеры
Методические указания к лабораторной работе с примерами расчётов
г. Москва 2011г.
2
УДК
ББК
К
Кошкарёв Е.В. Тяговые и
эксплуатационные расчёты землеройно-транспортных машин.
Часть 1. Грейдеры: Методические указания к практической работе с примерами расчётов/
Кошкарёв Е.В.НИТУ- МГСУ.-М., 2011.- 35с.
В настоящих методических указаниях приводятся сведения об устройстве,
конструкции и основных механизмах современных автогрейдеров, даются сведения о
рабочем процессе данных машин при выполнении основных технологических процессов
при ведении земляных работ. Технические характеристики машин, которые применяются
в Российской Федерации, сведены в отдельную таблицу, удобную для пользования.
Методические указания строятся по принципу «от сооружаемого объекта», когда
задается вид земляного сооружения и его параметры, тип грунта и модель машины.
Кроме того для выбранной машины определяется оптимальное сечение стружки с точки
зрения тяги и находится необходимое количество проходов для выполнения земляных
работ. В заключение определяется производительность машины при выполнении
отдельных типовых технологических процессов.
Методические указания предназначаются для студентов вузов, обучающихся по
специальностям 170900 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и
оборудование», а также для использования студентами, обучающимися по
специальностям направления «Строительство», в том числе: 270 102 – ПГС, 270 103 –
ГСС, 270 104 – ГСХ и 270 113 – МИАС.
Рецензент:
канд. техн. наук доцент Р.А.Янсон, кафедра СиПТМ МГСУ».
УДК
ISBN
ББК
© Е.В. Кошкарёв, 2011
© Московский государственный строительный университет), 2011
3
1. Назначение работы
При выполнении работы студенты должны:
-усвоить конструктивные особенности различных типов грейдеров;
-ознакомиться с расчётами тяговых, скоростных и мощностных характеристик
данных машин;
-научиться практическому расчёту тяговых характеристик колёсных машин;
-разобраться в особенностях расчёта конструктивной, технической и
эксплуатационной производительности машин;
-выбрать необходимое количество машин или определить время производства
работ заданного объёма;
-ознакомиться с основными тенденциями развития грейдеров и технологическими
особенностями их использования;
-изучить основные направления развития автоматизации данных машин.
Выполнение работы производится после прочтения курса лекций по теории
копания грунта и землеройно-транспортным машинам ЗТМ).
2. Исходные данные
Их следует брать из приложения 1 и рис. 8 в соответствии с рекомендациями
преподавателя по выбору варианта.
3. Объём работы
Работа планируется на 2 часа аудиторных и 1 час самостоятельных занятий,
причём, 0,5 часа отводится на выдачу и объяснение задания и 1,5 часа – на разбор
методики расчёта при одновременном выполнении индивидуальных заданий. Сдача
работы производится в аудитории из расчёта 0,5часа, для чего прилагаются контрольные
вопросы.
4. Конструкция грейдера*)
В конце 70-х годов прошлого века в России ежегодно выпускалось порядка 6500
автогрейдеров. В начале 90-х годов – почти вдвое меньше. Однако самые низкие
показатели в отечественном производстве указанной группы машин отмечены в первой
половине 2000-х годов, когда суммарный выпуск на четырех российских заводах –
изготовителях автогрейдеров – Брянском арсенале, ЧСДМ, Дормаше и Ирмаше – упал
ниже отметки 1000 единиц.. В 2007-м темпы выпуска выросли по сравнению с
предыдущим годом на 20% и достигли 1284 штук.
Грейдер*) представляет собой землеройно-транспортную машину (ЗТМ),
последовательно выполняющую операции копания грунта, заполнения отвала,
транспортировку грунта в продольном и поперечном направлениях к оси земляного
сооружения и укладку грунта в это сооружение.
Все операции рабочего цикла происходят при этом при поступательном движении
машины.
Различают грейдеры прицепные (работающие в сцепке с гусеничным или
колёсным тягачом) и самоходные, которые называют автогрейдерами. Первые сегодня не
производятся и не присутствуют на рынке, поэтому в данных методических указаниях
рассматриваются только автогрейдеры.
Современная конструктивная схема автогрейдера сложилась к концу 30-х годов
ХХ века. Автогрейдер – самоходная пневмоколёсная машина с одномоторным приводом
(рис.1), которая состоит из следующих основных частей: основной рамы, тяговой рамы с
* Слово грейдер английского происхождения. Grader переводится на русский язык как
нивелировщик, т.е. машина, которая может обеспечить очень точно (с помощью автоматики управления
отвалом) заданные отметки грунта при его планировке.
4
поворотным кругом, отвала с ножом, двигателя, трансмиссии, ходовой части и системы
управления. В отечественной практике, в силу особенностей климата, автогрейдер всегда
комплектуется панорамной кабиной с усилением ROPS/FOPS.
Рис. 1. Конструктивная схема автогрейдера:
1-кирковщик-рыхлитель; 2-брызговик; 3-гидравлический бак; 4-моторный
отсек; 5-тандем; 6-топливный бак; 7-кабина; 8-гидроцилиндр выноса тяговой
рамы; 9-гидроцилиндр подъёма-опускания отвала; 10-тяговая рама; 11-основная
рама; 12-бульдозерный отвал; 13-передняя ось; 14-поворотный круг; 15-отвал;
16-лестница
Машина может иметь дополнительное рабочее оборудование: уширитель отвала,
откосник, кирковщик, а также сменное рабочее оборудование: отвал бульдозера, плуг
снегоочистителя, дорожную фрезу и уплотняющий валец для откосов.
Главным видом рабочего оборудования является прямой отвал, который может
принимать в пространстве любое фиксированное положение в зависимости от условий
работ. Любое положение может быть определено при помощи углов, описанных ниже.
Рис. 2. Углы установки грейдерного отвала
Угол резания δ– угол между передней плоскостью ножа и направлением
траектории движения машины (рис.2а). В зависимости от технологических условий
величина этого угла варьирует от 28 до 70 градусов.
Угол захвата φ (рис. 2б) образуется между направлением движения машины и
плоскостью отвала в плане. Этот угол позволяет не только перемещать грунт перед
отвалом, но и сдвигать его в сторону. Величина этого угла у современных машин может
быть любой, т.е. не только в пределах 40 – 50 градусов, но и 130 – 140 градусов, что
позволяет работать машине задним ходом без разворота (путём реверсирования).
Угол наклона ν (перекоса) (рис. 2в) характеризует наклон овала в плоскости,
перпендикулярной к траектории движения машины. Величина этого угла может
изменяться от 0 до 90 градусов.
Отвалы автогрейдеров (рис. 3) изготавливаются сварными из фасованных
элементов. К нижней части присоединяется плоский нож, заточенный с двух сторон, что
позволяет при его повороте на 180 градусов увеличить срок службы. К обоим концам
5
отвала также прикрепляют для повышения долговечности отвала два боковых
(подрезающих) ножа.
Рис. 3. Тяговая рама и отвал автогрейдера:
1-отвальная балка; 2-поворотный круг 3-тяговая рама; 4-кронштейн; 5-нож
подрезающий; 6-отвал; 7-опора; 8—фиксатор
Подвеска тяговой рамы к основной раме производится с помощью шарового
шарнира спереди и трёх гидроцилиндров сзади (рис. 4).
Рис. 4. Подвеска тяговой рамы:
1-рычаг цилиндра выноса; 2-вилка; 3-рычаг правого цилиндра подъёма; 4-кронштейн
основной рамы; 5-ось; 6--рычаг левого цилиндра подъёма; 7-болт-фиксатор; 8-втулка; 9пружина
Конструкция автогрейдеров определяется колёсной формулой его ходовой части,
которая выражается произведением трёх цифр: А×В×С,
где: А – число осей с управляемыми колёсами;
В – число осей с ведущими (приводными) колёсами;
С – общее количество осей.
Современные машины могут иметь колёсные формулы: 1×1×2, 1×2×2, 2×2×2,
1×2×3, 1×3×3 и 3×3×3. И в отечественной, и в зарубежной практике подавляющее
большинство всех выпускаемых моделей – машины колёсной формулы 1×2×3. Это
обстоятельство объясняется тем, что они характеризуются большим постоянством
сцепной массы и тяги по сцеплению, лучшей планирующей способностью отвала,
хорошим конструктивным распределением массы по осям и большей поперечной
устойчивостью при работе. Недостатком трёхосных машин является большой радиус
поворота, однако его можно уменьшить при использовании шарнирно-сочленённой рамы
(рис. 5).
Шестиколесный привод (1×3×3) задействует весь вес грейдера и 6 шин для работы.
Гидростатический или механический привод переднего моста увеличивает
производительность при всех видах работ. Выполняя как легкие, так и тяжелые, грязные
работы, грейдеры с шестиколесным приводом 6WD более производительны при любом
6
применении по сравнению с традиционными аналогами, т.к имеют большую сцепную
массу.
Рис. 5. Схемы движения автогрейдера с шарнирно-сочленённой рамой:
а - прямолинейное; б - поворот влево; в - прямолинейное со смещением передней
оси (крабовое)
Автогрейдеры колёсной формулы 1×2×3 и 1×1×2, как правило, имеют механизм
бокового наклона передних колёс (рис 6), позволяющий увеличить боковую устойчивость,
как при горизонтальном положении машины, так при работе на поперечном уклоне.
Рис.6. Передняя ось с наклоном колёс:
1-колёсо; 2-вилка; 3-итяга; 4-ось крепления моста к раме; 5-штанга моста; 6-кривошип;
7гидроцилиндр; 8-балка; 9-вилка; 10-поворотная цапфа; 11-подшипник; 12-ступица; 13подшипник; 14-цапфа; 15-прокладка; 16-гайка; 17-контргайка; 18-крышка
У трёхосных машин два задних моста попарно образуют тандем, установленный на
балансире и позволяющий при работе колёсам принимать независимые положения по
высоте. Привод ведущих осей автогрейдера производится всегда от дизельного двигателя
(рис. 7) через механическую (сегодня только для лёгких машин) или гидромеханическую
трансмиссии для средних или тяжёлых машин.
Рис. 7. Кинематическая схема автогрейдера с механической трансмиссией и
раздельным приводом мостов:
7
1-двигатель; 2-муфта сцепления; 3-коробка выбора передач; 4-передний карданный вал; 5передний мост; 6-передний мост тандема; 7-передний карданный вал тандема; 8раздаточная коробка; 9-задницй карданный вал тандема; 10-задний мост тандема
Управление положениями отвала в процессе работы состоит в его подъёме –
опускании (всего или одного из концов), поворота отвала в плане, в выдвижении его в
сторону относительно тяговой рамы, выносе тяговой рамы вместе с неподвижным
отвалом в одну из сторон, а также в изменении угла резания относительно неподвижной
тяговой рамы. Указанные положения обеспечиваются гидравлическими двигателями.
5. Выбор и расчёт тягово – скоростных характеристик.
В рабочем процессе автогрейдера доминирует тяговый режим, т.к. эти машины
ведут разработку и перемещение грунта при использовании свободной силы тяги на
ведущих осях в тяжёлых условиях бездорожья.
При выполнении тягового расчёта необходимо выявить все основные
сопротивления, возникающие при работе автогрейдера, их суммировать, затем либо
сопоставить с усилием, развиваемой ходовым оборудованием по мощности двигателя или
по сцеплению, либо определить основные параметры стружки.
При выполнении тягового расчёта используют следующие основные параметры:
-конструктивную массу;
-колёсную схему;
-нагрузки на оси;
-номинальную мощность двигателя;
-минимально-возможную рабочую скорость на низшей передаче;
-максимальную расчётную транспортную скорость;
-число передач и ряд передаточных отношений трансмиссии;
-размеры отвала;
-координаты центра тяжести , продольную базу и вылет отвала относительно
передней оси.
Главным параметром автогрейдера принято считать сцепную массу (вес),
поскольку они определяют тяговые качества машины.
Сцепной вес машины связан с конструктивной массой в снаряжённом состоянии
посредством соотношения:
Gсц = ζ×М×g, кН (1)
где: ζ - коэффициент использования конструктивной массы приводными осями,
определяемый колёсной формулой или по данным «развесовки» машины. Развесовка
машины производится при статических испытаниях на весах, когда сначала определяется
полная масса машины в снаряжённом состоянии, а затем, поочерёдно, нагрузка на оси
(тандем), что позволяет также определить центр тяжести машины.
М – конструктивная масса машины в снаряжённом состоянии, приводимая в
технических характеристиках машин (см. приложение 1), т.
Сцепной вес существенно зависит от вертикального усилия на отвале (см. табл.1).
Таблица 1. Значения сцепного веса и коэффициента его использования в
зависимости от вертикального усилия на отвале для различных колёсных формул
КолёсКоэф.использоСцепнойвес при режиме
ная
вания
форму
конструк-тивной
рабочем
транспортном
-ла
массы
1×1×2
G2=Gсц=(G×L0 ±P2× L4)/L0 Gсц=G×L 2/L0
ζ = (L2 ± L4× P2/G)/ L0
1×2×3
1×2×2
Gсц=G
Gсц=G ± P2
ζ =1,0
1×3×3
8
Анализ коэффициента ζ для колёсных формул 1×1×2, 1×2×3 показывает,
что при сохранении геометрических параметров только сила P2 влияет на его
вариацию, например, при P2=0, ζмакс = L2/L0, а при P2=G, ζ =( L2- l4)/L0, что при
существющих соотношениях размеров, определяет ζ =0,5× ζмакс.
Сила вертикального давления на нож Р2 является одним из важнейших
параметров и определяется усилием, создаваемым гидроцилиндрами подъёмаопускания отвала, распределением массы по осям и геометрическими размерами.
Она характеризует возможности машины работать без «вывешивания» в тяжёлых
грунтовых условиях и определяется с учётом положения ножа отвала относительно
осей ходового оборудования.
Вывешивание машины имеет место при условии:
ζмин = L2/L0 -P2× L4/L0×G = 0 (2)
Решение уравнения относительно
P2 даёт выражение для подсчёта
предельной силы для данной машины в этом случае:
P2=G× L2/L4 (3)
Поскольку L2>L4 (на практике в 1,6-1,8 раза), то для устранения
вывешивания при работе на грунтах I-III группы по трудности разработки (область
применения автогрейдера), это усилие не должно превышать веса машины.
Абсолютное значение этой силы определяется из эмпирического
выражения:
P2=(0,7-1,3) ×0,67×Nдв, кН (4 )
где: Nдв - установленная мощность двигателя, кВт.
В статическом горизонтальном положении при незаглубленном отвале
коэффициент ζ = 1 –для колёсных формул 1×3×3 и 1×2×2 и ζ =О,7 -0,75–для
колёсных формул 1×1×2 и 1×2×3. Ясно, что при заглублённом отвале этот
коэффициент уменьшается и может достигнуть нулевого значения при
вывешенном тандеме или задней оси.
Общее тяговое усилие автогрейдера
по сцеплению определяется из
выражения:
Тсц = ζ×М×g×φ, кН (5)
где:φ - коэффициент использования сцепной массы или коэффициент сцепления.
Величина этого коэффициента зависит от буксования колёсного движителя,
которое всегда имеет место при передвижении машины в силу особенностей кинематики
качения пневматического колеса. В реальных условиях использования машины всегда
имеет место неравенство:
0 <φопт.<φмакс. (6)
где: φопт.- оптимальный коэффициент тяги автогрейдера соответствующий
номинальной мощности машины, т.е. когда двигатель имеет минимальный удельный
часовой расход топлива на единицу мощности.
Значение этого коэффициента по данным экспериментальных исследований для
современных автогрейдеров варьирует в пределах 0,45 – 0,55, чему соответствуют
коэффициенты буксования δ = 18 – 22% ( приложение 3).
9
Таким образом, при наиболее эффективном режиме с точки зрения использования
топлива оптимальная сила тяги составит:
Тсц.опт = 9,8×Мсц×φ = ζ×М×g×φопт., кН (7)
Касательная составляющая сопротивлению копанию:
P01 = Тсц.опт = k×ωопт (8)
где: k – расчётный коэффициент, сопротивления грунта копанию, учитывающий
как отделение грунта от массива, так и его перемещение вперёд (по грунту) и в бок (по
грунту и отвалу) (см. приложение 3).
Оптимальное сечение стружки, срезаемой при одном проходе автогрейдера:
ωопт. = Тсц.опт/ k, м2 (9)
На основании (5) необходимое число проходов машины при выработке заданного
сечения земляного сооружения:
n = m×Ω/ωопт (10)
где : m -1,25 – 1,35- коэффициент, учитывающий неравномерность сечения
стружки при последовательном их срезании и возможную вариацию свойств грунта.
Ω - общая площадь поперечного сечения земляного сооружения (кювет, выемка,
канал).
Подставляя выражение 7 в 10, получаем:
n = m×Ω×к/ ζ×М×g×φопт., (11)
Выражение 11 позволяет при заданном типе автогрейдера найти необходимое
количество проходов, либо при заданном количестве проходов подобрать необходимую
массу, а тем самым тип машины.
6. Баланс мощности автогрейдера
Потребная мощность двигателя автогрейдера определится из выражения:
Nдв = NΣ/ρ×ηтр, кВт (12)
где: NΣ - суммарная мощность на ведущих осях машины, кВт;
ρ - коэффициент уменьшения мощности двигателя из-за неустановившейся
нагрузки;
ηтр- коэффициент полезного действия трансмиссии.
Значения коэффициентов зависят от типа трансмиссии:
для механической трансмиссии: ρ=0,88-0,9 и ηтр=0,83-0,86;
для гидромеханической трансмиссии с непрозрачным трансформатором (в этом случае
двигатель, на валу которого установлен гидротрансформатор, работает в постоянном
режиме): ρ =1,0 и ηтр=0,73-0,76.
Суммарная мощность на ведущих осях определится из выражения:
NΣ =Nо + Nб + Nf, кВт (13)
где: Nо- мощность, потребная на копание грунта, его движение по отвалу и по
грунту, кВт;
10
Nб – потери мощности на буксование ведущих колёс машины, кВт;
Nf - потери мощности на перекатывание, кВт.
Мощность, связанная с разработкой и перемещением грунта:
Nо = Тсц.опт ×Vфакт, кВт
(14)
где: Тсц.опт - оптимальная тяги на ведущих осях из выражения (7), кН;
Vфакт- фактическая (действительная) скорость движения, зависящая от
буксования колёсных движителей, м/с.
Практика использования автогрейдеров показывает, что, при нарезании кюветов,
фактическая скорость не превышает 1-2 м/с.
Мощность, расходуемая на буксование колёсного движителя, определится из
выражения:
Nб = (φопт+f)×ζ×М×g × Vфакт× δ/(1-δ), кВт
(15)
где:f – обощённый коэффициент сопротивления движению (см. приложение 3);
δ – коэффициент буксования колёсного движителя.
Мощность, расходуемая на перемещение машины на горизонтальном участке,
определится из выражения:
Nf= М×g × f× Vфакт×10-3, кВт
(16)
7. Вертикальное давление на нож отвала
Сила вертикального давления на нож Р2 является одним из важнейших параметров
и определяется усилием, создаваемым гидроцилиндрами подъёма-опускания отвала,
выноса тяговой рамы и распределением массы по осям. Она характеризует возможности
машины работать без «вывешивания» в тяжёлых грунтовых условиях и определяется с
учётом положения ножа отвала относительно осей ходового оборудования. Влияние
величины и направления этой силы на нагружение осей машины в зависимости от
колёсной формулы показано на рис. 8.
.
Рис. 8. Схема сил, действующих на автогрейдер, при копании грунта:
Р02- вертикальная составляющая сопротивления грунта копанию, кН;
Р01- горизонтальная составляющая сопротивления грунта копанию (оптимальная
сила тяги по сцеплению), кН;
Р2 – усилие на гидроцилиндре, кН;
G-вес машины, кН;
11
G1- вес машины, приходящийся на переднюю ось, т;
G2- вес машины, приходящийся на заднюю ось (тандем), т;
Rп- суммарная реакция грунта на колёсах передней оси, кН;
R1т- суммарная реакция грунта на колёсах передней оси тандема, кН;
R2т- суммарная реакция грунта на колёсах задней оси тандема, кН;
Т – сила тяги по сцеплению, кН;
Мк1 – суммарный крутящий момент на колёсах передней оси тандема, кНм;
Мк1 – суммарный крутящий момент на колёсах задней оси тандема, кНм;
L 0- расстояние от передней оси до оси тандема (продольная база), м;
L1- расстояние от задней оси до центра тяжести машины, м;
L2- расстояние от передней оси до центра тяжести машины, м;
L 3- расстояние от передней оси до задней оси тандема, м;
L 4- расстояние от передней оси до режущей кромки отвала (вылет отвала), м.
При колёсных формулах 1×1×2 и 1×2×3 значение усилия может быть определено,
используя табл. 1 и выражение (1):
±P2= M×g×( ζ – 1) × L0 / L4 (17)
8. Минимальная скорость ведущих колёс автогрейдера:
V = Vфакт/(1- δ), м/с (18)
где: Vфакт- фактическая (действительная) скорость движения машины, м/с;
δ – коэффициент буксования колёсного движителя, соответствующий
тяговому усилию.
9. Максимальная транспортная скорость автогрейдера: определяется из
выражения:
Vмакс =3,6× Nдв×ρ×ηтр/9,8×М× f, км/ч (19)
10. Производительность автогрейдера
Сфера применения автогрейдеров разнообразна. Но наибольший эффект
достигается при профилировании земляного полотна и кюветов, а также каналов
глубиной не менее 0,5-0,8м с откосами внутренних стенок от 1:2 до 1:3 и наружных от
1:1 до 1:1,5. Рассмотрим определение производительности на примере сооружения
кюветов (водоотводных канав).
Для лучшего стока вод кюветы делают различных поперечных сечений (рис. 9)
(треугольными, трапецевидными или сегментными).
При возведении кюветов автогрейдер совершает возвратно-поступательные
движения, вырезая стружку определённого сечения, площадь которой за 1 проход
определяется свободной силой тяги. Разработка всего сечения требует несколько
проходов (рис. 10).
Рис. 9. Типовое сечение водоотводной канавы земляного сооружения
12
Рис. 10. Отрывка кювета автогрейдера с одновременным возведением насыпи
На рис. 10 цифры 1-5 показывают последовательность проходов. Вырезаемый из
кюветов грунт при этом укладывается в земляное полотно.
Теоретическая производительность машины в случае нарезки кюветов определится
из выражения:
П0 =L/Т, м/c,(20)
где: L -длина рабочего участка (максимальная длина участка в 1 заходке не
превышает 700-1200м), м;
Т- длительность работы на участке, с.
Длительность работы на участке определяется из выражения:
T = n×( tвп+ tназ+2× tро+2× tпер) ,c
(21)
где: n - необходимое количество проходов для разработки кювета заданного
сечения, определённое ранее (9);
tвп -фактическое время рабочего хода, определённое из выражения:
tвп = L/Vфакт,c (22)
где: Vфакт – фактическая рабочая скорость, м/с;
tназ -фактическое время холостого хода, определённое из выражения:
tназ = L/Vназ,c (23)
где: Vназ – максимальная скорость движения машины назад (приложение 2), м/с.
tро= (5-7) - время на остановку, подъём-опускание отвала и реверсирование
машины;
tпер= (4-10) - время на разворот машины или поворот отвала на 180◦,с.
Для автогрейдеров с реверсируемым отвалом рабочий ход производится как
вперёд, так и назад, поэтому принимают либо только tвп, либо только tназв зависимости
от направления движения.
Умножив числитель выражения (18) на площадь стружки за 1 проход, получаем:
П0 =L×Ω/T, м3/c, (24)
где: Ω - площадь сечения кювета, м2.
13
Площадь сечения кювета:
Ω= 0,5×h2×(α+β),м2 (25)
где: α и β - заложения внешнего и внутреннего откосов.
Техническая производительность автогрейдера при сооружении кювета в плотном
теле составит:
Птехн =П0×kупр, м3/ч (26)
где: kупр =0,96-0,98 -коэффициент характеризующий систему управления для
гидравлической системы.
Эксплуатационная производительность автогрейдера при сооружении кювета
составит в плотном теле:
Пэкспл = Птехн×kв/ kр, м3/c (27)
где: kв = 0,80-0,85 -коэффициент использования машины по времени;
11. Порядок выполнения работы
-выписать исходные данные, используя заданный вариант из приложения 1
-изучить конструктивную схему машины и особенности её функциональных
частей;
-воспроизвести на рисунке упрощенную конструктивную схему;
-найти усилие заглубления отвала;
-определить коэффициент использования сцепной массы в зависимости от
колёсной формулы и параметров машины, используя её техническую характеристику;
-выбрать значение коэффициента сцепления (приложение 3);
-найти оптимальное значение силы тяги машины;
-найти суммарную мощность на ведущих колёсах;
-найти удельное сопротивление перемещению (приложение 3);
-выразить мощность на перемещение в зависимости от действительной скорости;
-принять коэффициент буксования колёс равный 0,2;
-выразить мощность на буксование в зависимости от действительной скорости;
-выбрать удельное сопротивление грунта копанию (приложение 3);
-выразить мощность на отвале в зависимости от действительной скорости;
-найти действительную скорость передвижения машины в рабочем режиме,
используя найденные мощности;
-определить площадь сечения кювета и выбрать коэффициент неравномерности
сечения стружки;
-найти необходимое количество проходов для рытья кювета необходимого
профиля;
-задать и определить углы установки отвала;
-определить оптимальное сечение стружки, вырезаемой за 1 проход;
-определить длительность рабочего хода на участке;
-установить вспомогательное время (переключение передач, реверсирование,
манипуляции с изменениями углов установки);
-определит время производства работ;
-определить теоретическую производительность автогрейдера;
-определить техническую производительность автогрейдера;
-определить эксплуатационную производительность автогрейдера;
14
12. Контрольные вопросы
1. Какова область применения грейдера?
2. Каковы основные функциональные части грейдера?
3. Перечислите основные и вспомогательные механизмы автогрейд
4. Как уменьшают радиус поворота автогрейдеров?
5. В чём заключаются особенности диффиренциалов поворота автогрейдеров?
6. Что даёт автогрейдеру механизм наклона колёс?
7. В чём заключаются преимущества трёхосных машин?
8. Зачем используют шестиколёсный привод автогрейдеров?
9. Что такое сцепная масса грейдера и как она определяется?
10. Дайте определение коэффициента использования сцепной массы грейдера?
11. Чем определяется сечение стружки, разрабатываемой за один проход машины?
12. Как можно увеличить коэффициент сцепления машины?
13. Что такое буксование автогрейдера и на что оно влияет?
14. Охарактеризуйте коэффициент удельного сопротивления перемещению.
15. Что такое коэффициент удельного сопротивления копанию и каков его
физический смысл?
16. Как величина усилия на гидроцилиндрах влияет на буксование?
17. Что влияет на изменение сцепной массы при транспортном режиме?
18. Что влияет на изменение сцепной массы при рабочем режиме?
19. Как определяется время рабочего хода автогрейдера?
20. В чем преимущества машин с реверсируемым отвалом от нереверсируемого?
21. Как и когда рассчитывается линейная производительность автогрейдера?
22. Как и когда определяется площадная производительность?
23. Как и когда рассчитывается объёмная производительность автогрейдера?
24. Какие углы установки имеет отвал?
13. Пример расчёта
Определить время производства работ по отрывке 1км водоотводной канавы,
имеющей внутренний и внешний откосы с заложением 1:3 и глубину 0,6м. Работы
производятся грейдером ГС-14.03. Грунт – суглинок II категории. Технология работ
предусматривает реверсирование отвала в конце каждого хода (работа без
разворота машины).
Решение:
Автогрейдер ГС-14.03 имеет колёсную формулу 1×2×3, конструктивную массу
14,65т, мощность двигателя 118кВт, продольную базу 6200мм, выдет отвала 2510мм и
расстояние от центра тяжести до передней оси 4340мм (приложение 2), оптимальный
коэффициент сцепления 0,5, соответствующий ему коэффициент буксования колёсного
движителя 0,20, коэффициент удельного сопротивления перемещению 0,10
и
коэффицент удельного сопротивления грунта копанию 160кН/м2 (приложение 3).
Среднее значения вертикального усилия на режущей кромке отвала:
P2=(0,7-1,3) ×0,67×Nдв=(0,7-1,3) ×0,67×118 =(55,34-102,78 кН. Принимаем 80кН.
Определяем коэффициент использования сцепной массы автогрейдера
ζ = (L2 - L4× P2/G)/ L0=(4,34 –2,51×80/14,65×9,8)/6,2 =0,49
Оптимальная сила тяги автогрейдера по сцеплению:
Тсц.опт = 9,8× ζ×М× φопт =9,8× 0,49×14,65× 0,50=35,17кН
Оптимальное сечение стружки, срезаемой при 1-ом проходе автогрейдера:
ωопт. = 35,17/160 = 0,22 м2
Суммарная мощность на ведущих осях машины при копании грунта:
NΣ = Nдв×ρ×ηтр, = 118 ×1×0,75 = 88,5кВт
Мощность, расходуемая на перемещение машины на горизонтальном участке,
определится из выражения:
15
Nf= 9,8×М× f× Vфакт= 9,8 ×14,65× 0,1× Vфакт = 14,36×Vфакт, кВт
Мощность, расходуемая на буксование колёсного движителя, определится из
выражения:
Nб=(φопт+f)×ζ×М×9,8×Vфакт×δ/(1-δ)=
=(0,5+0,1)×0,49×14,65×9,8×Vфакт×0,2/(1-0,2)= 10,55×Vфакт ,кВт
Мощность, связанная с разработкой и перемещением грунта:
Nо = Тсц.опт×Vфакт=35,17×Vфакт, кВт
Определяем фактическую скорость движения автогрейдера:
NΣ =Nо + Nб + Nf; 88,5 = 35,17×Vфакт +10,55×Vфакт +14,36×Vфакт=60,08×Vфакт;
Vфакт=1,47м/с или 5,3км/час
Максимальная транспортная скорость автогрейдера:
Vмакс =3,6× 118×1×0,75/9,8×14,65× 0,1 =22,2км/час
Площадь сечения дренажной канавы:
Ω= 0,5×h2×(α+β)= 0,5×0,62×(3+3)= 1,08 м2
Площадь сечения половины канавы, вырезаемой при проходах в одну сторону:
Ω1= 0,5× Ω= 0,5×1,08 =0,54 м2
Необходимое число проходов машины при выработке сечения заданного земляного
сооружения:
n = m× Ω1/ωопт = 1,25×0,54/0,22=3,07. Принимаем 3.
Параметры стружки (рис.10):
углы зарезания:
1-ый проход: tgν1 = h1/3× h = 0,2/3×0,6 =1/9; tgν1 =0,1111; ν1 =6,35◦
2-ой проход: tgν21 = h2/3× h = 0,4/3×0,6 =2/9; tgν21 =0,2222; ν21 =12,6◦; ν2 =6,25◦
3-ий проход: tgν31 = h3/3× h = 0,6/3×0,6 =3/9; tgν32 =0,3333; ν31 =18,5;◦ ν3 =5,9◦
Забор грунта из 2-ой половины не превышает при этом 2см, поэтому величина
объёма, соответствующей этой ширине, незначительна и не учитывается в расчётах.
Углы установки отвала:
1-ый проход: движение машины передним ходом (ПХ): угол резания δ = 60◦, угол
захвата φ = 45◦, угол зарезания ν1 =6,35◦
2-ой проход: движение машины задним ходом (ЗХ): угол резания δ = 60◦, угол
захвата φ = 135◦, угол зарезания ν2 =6,25◦
3-ий проход: движение машины передним ходом (ПХ): угол резания δ = 60◦, угол
захвата φ = 45◦, угол зарезания ν3 =5,9◦
Фактическое время рабочего хода, определённое из выражения:
tрх = tвп = L/Vфакт =1000/1,47 =680с
Время на остановку, подъём-опускание отвала, поворот отвала на 135◦ и
реверсирование машины в конце прохода;
tро= (10-20), с. Принимаем 15с.
Длительность работы на участке при нарезке половины дренажной канавы
составит:
T1 = n×( tвп+ 2× tро) = 3×( 680+ 2×15) = 2130 c = 0,59час
Длительность работы на участке при нарезке дренажной канавы составит:
T = T1×2=0,59×2=1,18час
Теоретическая производительность автогрейдера составит:
П0 = Ω× L/Т = 1,08×1000/1,18 = 915 м3/час
Техническая производительность автогрейдера при сооружении дренажной канавы
заданного сечения и длины в плотном теле составит:
Птехн =П0×kупр,= 915×0,97= 888м3/час
Эксплуатационная производительность автогрейдера в плотном теле составит:
Пэкспл = Птехн×kв = 888 ×0,83 = 737м3/час
16
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Назначение работы…………………………………………………………………3
2. Исходные данные……………………………………………………………………3
3. Объём работы………………………………………………………………………...3
4. Конструкция автогрейдера………………………………………………………….3
5. Выбор и расчёт тягово-сцепных характеристик…………………………………...7
6. Баланс мощности…………………………………………………………………….9
7. Вертикальное давление на нож отвала……………………………………………10
8. Минимальная скорость ведущих колёс…………………………………………...11
9. Максимальная транспортная скорость……………………………………………11
10. Производительность автогрейдера………………………………………………..11
11. Порядок выполнения работы………………………………………………………13
12. Контрольные вопросы……………………………………………………………..14
13. Пример расчёта……………………………………………………………………..14
Оглавление…………………………………………………………………………16
Приложение 1. Исходные данные для расчёта…………………………………...17
Приложение 2.1. Современные российские автогрейдеры……………………..18
Приложение 2.2. Современные зарубежные автогрейдеры…………………….19
Приложение 3. Свойства грунтов, подлежащих разработке…………………….20
17
Приложение 1. Исходные данные для расчёта
№
задания
Модель
автогрейдера
1
ГС-10.01
2
ГС-14.02
3
ГС-14.03
4
ГС-18.05
5
6
ГС-18.07
ГС-25.09
7
ГС-25.11
8
ДЗ-98В
9
GD705А-4
10
TG110
11
TG150
12
TG190
13
TG210
14
670G
15
770G
16
870G
17
ГС-14.02
18
ГС-14.03
19
ГС-18.05
20
ГС-18.07
21
ГС-25.09
22
23
ГС-25.11
ДЗ-98В
24
GD705А-4
25
TG110
27
TG150
28
TG190
29
TG210
30
670G
31
ГС-10.01
Разрабатываемый грунт
Чернозём и каштановый грунт
мягкий, I кат.
Грунт растительный без корней и
примесей, I кат.
Суглинок лёгкий и лёссовидный без
примесей, I кат.
Суглинок лёгкий и лёссовидный с
примесью гальки и щебня до 10% по
объёму, I кат.
Солончак мягкий, I кат.
Торф без древесных корней, I кат.
Глина жирная мягкая и без
примесей, II кат.
Песок без примесей, II кат.
Супесь без примесей, а также с
примесями до 10% по объёму, II
кат.
Лёсс мягкий без примесей, II кат.
Лёсс мягкий с примесью гравия и
щебня, II кат.
Глина жирная мягкая с примесью
гравия или щебня до 10% по
объёму, III кат
Гравийно-галечниковый грунт с
размером частиц до 80мм, III кат
Глина карболовая мягкая, III кат
Песок барханный и дюнный, III
кат
Чернозём и каштановый грунт
отвердевший, III кат
Солончак тв., III кат
Чернозём и каштановый грунт
мягкий, I кат.
Грунт растительный без корней и
примесей, I кат.
Суглинок лёгкий и лёссовидный без
примесей, I кат.
Суглинок лёгкий и лёссовидный с
примесью гальки и щебня до 10% по
объёму, I кат.
Солончак мягкий, I кат.
Торф без древесных корней, I кат.
Глина жирная мягкая и без
примесей, II кат.
Песок без примесей, II кат.
Супесь без примесей, а также с
примесями до 10% по объёму, II
кат.
Лёсс мягкий без примесей, II кат.
Лёсс мягкий с примесью гравия и
щебня, II кат.
Глина жирная мягкая с примесью
гравия или щебня до 10% по
объёму, III кат
Чернозём и каштановый грунт
мягкий, I кат.
Размеры сечения водоотводной
канавы (кювета), м
h, м
α
β
0,3
1,5
2,5
0,35
2
2
0,4
2
2,5
0,45
2,5
2,5
0,45
0,5
3
2,5
3
3
0,55
3
3
0,6
2,5
3
0,6
3
3
0,36
2,5
2,5
0,45
3
2,5
048
3,2
2,8
0,50
2,8
3
0,52
3,1
2,5
0,54
3,2
3,4
0,56
3,5
3
0,55
3,2
3,4
0,54
3
3
0,58
2,5
3
0,60
2,4
3,6
0,65
3
3,5
0,70
0,60
2,5
2
2,6
3
0,70
3,5
3,5
0,50
3,5
4
0,55
3
2,5
0,60
2,5
2,5
0,56
2,9
2,9
0,48
2,5
2,5
0,5
1
2
18
32
ГС-14.02
33
ГС-14.03
34
ГС-18.05
35
36
ГС-18.07
ГС-25.09
37
ГС-25.11
38
ДЗ-98В
39
GD705А-4
40
TG110
41
TG150
42
TG190
43
TG210
44
670G
45
770G
46
870G
47
ГС-14.02
48
ГС-14.03
19
ГС-18.05
40
ГС-18.07
51
ГС-25.09
52
53
ГС-25.11
ДЗ-98В
54
GD705А-4
55
TG110
56
TG150
57
TG190
58
TG210
59
670G
60
GD705А-4
61
TG110
62
TG150
63
64
TG190
TG190
Грунт растительный без корней и
примесей, I кат.
Суглинок лёгкий и лёссовидный без
примесей, I кат.
Суглинок лёгкий и лёссовидный с
примесью гальки и щебня до 10% по
объёму, I кат.
Солончак мягкий, I кат.
Торф без древесных корней, I кат.
Глина жирная мягкая и без
примесей, II кат.
Песок без примесей, II кат.
Супесь без примесей, а также с
примесями до 10% по объёму, II
кат.
Лёсс мягкий без примесей, II кат.
Лёсс мягкий с примесью гравия и
щебня, II кат.
Глина жирная мягкая с примесью
гравия или щебня до 10% по
объёму, III кат
Гравийно-галечниковый грунт с
размером частиц до 80мм, III кат
Глина карболовая мягкая, III кат
Песок барханный и дюнный, III
кат
Чернозём и каштановый грунт
отвердевший, III кат
Солончак тв., III кат
Чернозём и каштановый грунт
мягкий, I кат.
Грунт растительный без корней и
примесей, I кат.
Суглинок лёгкий и лёссовидный без
примесей, I кат.
Суглинок лёгкий и лёссовидный с
примесью гальки и щебня до 10% по
объёму, I кат.
Солончак мягкий, I кат.
Торф без древесных корней, I кат.
Глина жирная мягкая и без
примесей, II кат.
Песок без примесей, II кат.
Супесь без примесей, а также с
примесями до 10% по объёму, II
кат.
Лёсс мягкий без примесей, II кат.
Лёсс мягкий с примесью гравия и
щебня, II кат.
Глина жирная мягкая с примесью
гравия или щебня до 10% по
объёму, III кат
Глина жирная мягкая и без
примесей, II кат.
Песок без примесей, II кат.
Супесь без примесей, а также с
прмесями до 10% по объёму, II
кат.
Лёсс мягкий без примесей, II кат.
Лёсс мягкий без примесей, II кат.
051
1,1
2,1
0,52
1,2
2,2
0,53
1,3
2,3
0,54
0,55
1,4
1,5
2,4
2,5
0,56
1,6
2,6
0,57
1,7
2,7
0,58
1,8
2,8
0,59
1,9
2,9
0,6
2
3
0,61
2
1,9
0,62
2,1
2
0,63
2,2
2
0,64
2,3
2,1
0,65
2,4
2,2
0,66
2,5
2,3
0,67
2,6
2,4
0,68
2,7
2,5
0,69
2,8
2,6
0,70
2,9
2,7
0,71
0,72
2
2
2
2,5
0,73
2,5
2,5
0,74
3
3
0,75
2,5
3
0,76
3
3
0,77
2,5
3
0,78
3
3
0,79
2,5
2,5
0,80
3
2,5
0,81
3,2
2,8
0,82
0,83
2,8
3,1
3
2,5
19
Приложение 2.1. Современные российские автогрейдеры
Параметр
Эксплуатационная
масса, кг
Нагрузка на
переднюю ось, кг
Нагрузка на
заднюю ось, кг
Расстояние от
передней оси до
центра тяжести,
мм
Тяговое усилие,
кН
Двигатель
Частота
вращения, об/мин
Мощность, кВт
Трансмиссия
Скорость
передвижения,
км/ч
Число передач,
В/Н
Размер отвала
(Д*В), мм
Вынос отвала, мм
Опускание отвала,
мм
Колёсная формула
Продольная база,
мм
Продольная база
отвала
Габаритные
размеры (д*ш*в),
мм
Стоимость, руб.
Производитель
ГС-10.01
ГС-14.02
ГС-14.03
ГC-18.05
7500
13500
14650
15800
2250
4050
4395
5250
9450
2940
Модель
ГС-18.07
ГС-25.09
ГС-25.11
Дз-98В
17900
18700
22800
19000
4740
5370
5610
6840
5700
10255
11060
12530
13090
15960
13300
4200
4340
4340
4340
4340
4900
4200
42,0
82,0
88,0
94,0
103,0
144,0
141,0
210,0
Д-243
ЯМЗ-236Г6
Deutz
BF04M1013FC
ЯМЗ-236Д4
Deutz
AGBF6M1013EC
ЯМЗ-236БЕ2-20
ЯМЗ-236БЕ2-20
Cummins
2200
1700
2000
2100
2000
2000
2000
2200
57,4
М
110
М
118
ГМ
125
М
147
ГМ
176
ГМ
176
ГМ
191
М, ГМ
2-35/
4-4,9
4-32,3/
3,5-13
4-39/
4-26
3,2-40/4,8-8,5
4-41/4-28
4-40/4-27
46/56,42,43
18/4
6/2
6/3
12/4
6/3
6/3
6/3
3040×470
3740×620
3660×630
3660×630
4270×700
4270×700
4880×800
4100×700
500
700
700
700
700
700
800
900
350
450
450
450
500
500
500
500
1×1×2
1×2×3
1×2×3
1×2×3
1×2×3
1×3×3
1×2×3
1×3×3
4200
6000
6200
6200
6200
6200
7000
6000
1660
2350
2510
2510
2510
2510
3010
2760
7140
×3040×3370
8825×2500×3475
9400×2550×3665
9370×2550×3590
9400×2550×3665
9400×2550×3665
10500×2970×3780
9500×3064×4100
2 401300
Группа ГАЗ
ОАО
«Брянский
3 402 300
Группа ГАЗ
ОАО «Брянский
арсенал»
4 469 300
Группа ГАЗ
ОАО «Брянский
арсенал»
4 013 900
Группа ГАЗ
ОАО «Брянский
арсенал»
5 324 000
Группа ГАЗ
ОАО «Брянский
арсенал»
6 034 875
Группа ГАЗ
ОАО «Брянский
арсенал»
6 034 875
Группа ГАЗ
ОАО «Брянский
арсенал»
5 292 000
Челябинский
завод дорожных
машин
4-41/4-28
20
Приложение 2.2. Современные зарубежные автогрейдеры
Модель
Параметр
Эксплуатационная
масса, кг
Нагрзка на
переднюю ось, кг
Нагрзка на
заднюю ось, кг
Тяговое усилие,
кН
Двигатель
Частота
вращения, об/мин
Мощность, кВт
Трансмиссия
Скорость
передвижения,
км/ч
Число передач,
В/Н
Размер отвала
(Д×В), мм
Опускание отвала,
мм
Колёсная формула
Продольная база,
мм
Продольная база
отвала
Габаритные
размеры (д×ш*в),
мм
Производитель
Komatsu
GD825A-2
Komatsu
GD705A-4
Komatsu
GD825A2
26350
17620
10800
11500
14500
18700
21000
16614
16850
17138
7970
5286
3090
3540
4300
5000
6300
4998
5055
5153
18380
12334
7710
7960
10200
13700
14700
11616
11795
11985
147,0
102,0
61,4
80/105
96/121
96/121
124/154
128
131,5
133
Komatsu
S6D140E
Komatsu
S6D125
Komatsu
S6D105
Cummins
Cummins
Cummins
Cummins
John Deere
6068Н
John Deere
6090Н
John Deere
6090Н
2100
200
2500
2000
2000
2000
2000
2100
2100
2100
209
ГМ
149
ГМ
101
ГМ
97
ГМ
120
ГМ
129.6
ГМ
168
ГМ
145
ГМ
183
ГМ
198
ГМ
4-44,9/
4,3-47,9
3,9-43/
/-45,9
3,4/54,4/44,6
4-39/4-25
4.3-40/4.3-25
3.8-40/3.819.4
4-40/4-22
3,9-45,2/
3,9-45,2/
4,0-44,5/
8/8
8/8
6/6
6/6
6/6
6/6
6/6
8/8
8/8
8*8
4878×850
3740×620
3355×503
3660×580
3660×630
3660×630
4270×686
4270×686
4270×686
530
450
380
380
1×2×3/1×3×
3
1×2×3/1×3×
3
1×2×3/1×3×
3
1×2×3/1×3×
3
1×2×3
1×2×3
1×2×3
7100
6250
6250
6250
6250
6160
6160
6160
3100
2221
2204
2262
2719
2530
2530
2530
101000×3240
×3550
8903×2466
×3170
9402×2490
×3276
10255×2490
×3300
10303×2490
×3344
9900×/×3180
9900×/×3180
TEREX
Heavy
Construction,
Scotland
TEREX
Heavy
Construction,
Scotland
TEREX
Heavy
Construction,
Scotland
TEREX
Heavy
Construction,
Scotland
Deere &
Company, USA
Deere &
Company,USA
3100
1×2×3
Komatsu
Limited,
Япония
1×2×3
Komatsu
Limited,
Япония
1×2×3
Komatsu
Limited,
Япония
TEREX
TG110
TEREX
TG150
TEREX
TG190
TEREX
TG210
John Deere
670G
John Deere
770G
John Deere
870G
Deere &
Company, USA
21
Приложение 3. Свойства грунтов, подлежащих разработке*)
Категория
грунта по
трудности
разработки
I
II
III
Наименование
Чернозём и
каштановый грунт
мягкий
Грунт
растительный без
корней и примесей
Суглинок лёгкий и
лёссовидный без
примесей
Суглинок лёгкий и
лёссовидный с
примесью гальки и
щебня до 10% по
объёму
Солончак мягкий
Торф без
древесных корней
Глина жирная
мягкая и без
примесей
Песок без примесей
Супесь без
примесей, а также с
примесями до 10%
по объёму
Лёсс мягкий без
примесей
Лёсс мягкий с
примесью гравия и
щебня
Глина жирная
мягкая с примесью
гравия или щебня
до 10% по объёму
Гравийногалечниковый
грунт с размером
частиц до 80мм
Глина карболовая
мягкая
Песок барханный и
дюнный
Чернозём и
каштановый грунт
отвердевший
Солончак твёрдый
Средняя
плотность,
кг/м3
Коэффициент
разрыхления,
kр
1700
Удельное
сопротивление
копанию, k
(кН/м2)
Коэффициент
сопротивления
перемещению, f
Коэффициент
сцепления, ϕ
1,08-1,10
0,15-0,20
0,40-0,45
1200
1,20-1,25
0,15-0,22
0,45-0,50
1700
1,10-1,017
0,10-0,20
0,42-0,48
80
1700
1,14-1,17
0,15-0,18
0,42-0,50
1600
1,12-1,20
0,15-0,20
0,40-0,50
900
1,05-1,25
0,15-0,22
0,45-0,50
1800
1,12-1,18
0,19-0,22
0,40-0,50
1600
1,15-1,18
0,15-0,20
0,45-0,55
1500
1,15-1,22
0,12-0,15
0,50-0,60
1600
1,15-1,22
0,10-0,16
0,40-0,45
1600
1,14-1,18
0,12-0,15
0,45-0,55
1750
1,15-1,25
0,08-0,12
0,50-0,60
1750
1,15-11,20
0,10-0,15
0,42-0,45
1950
1,08-1,12
0,12-0,18
0,50-0,60
1600
0,10-0,15
0,45-0,55
1200
0,12-0,17
0,45-0,55
1800
0,105-0,15
0,50-0,60
160
250
*) Для составления приложения 3 были использованы Государственные элементные
сметные нормы, разработанные Госстроем России, (ГЭСН 2001-01, табл.1-01а)
(http://www.rmnt.ru/docs/cat_gesn/25616.htm)